一种IGBT用铝-金刚石封装底板的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种IGBT用铝

【技术实现步骤摘要】
一种IGBT用铝
‑
金刚石封装底板的制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体制备
，更具体地说，它涉及一种铝
‑
金刚石封装基板的制备方法及其复合材料。

技术介绍

[0002]近年来，半导体行业不断的更新换代，大功率器件也备受关注，随着高功率IGBT模块的迅猛发展，封装模块不断提高的性能对模块散热底板提出巨大挑战，目前大功率IGBT封装模块底板的热导率仅200
‑
300 W/（m
·
K），已不能满足未来大功率器件散热性能需求。因此，亟需一种先进的热管理材料（高导热、低热膨胀系数）来有效提高电子器件的稳定性与可靠性。第四代以金刚石作为导热填料的铝、铜基复合材料，其热导率高达400
‑
900 W/（m
·
K），可为下一代大功率IGBT器件封装散热提供高散热能力及高可靠性。
[0003]目前公开的制备技术为，日本广津留秀树等人在专利
‘
铝
‑
金刚石类复合体的制备方法
’
（专利号CN102149655A）中采用压力熔渗法需要制备出金刚石预制体，通过模具将熔融铝液加压至金刚石中制备出铝
‑
金刚石复合材料样品。通过熔渗法制备的铝
‑
金刚石复合体，采用高温熔融铝熔体，其控制技术较难，铝基体积占比过少，熔融铝基冷却收缩，金刚石颗粒会在样品表面形成浮凸，导致影响后续表面焊接性能；过多的铝基占比会导致复合材料表层铝过厚，在器件高温功率循环测试过程中，在极端的条件下，铝层会发生疲劳，影响IGBT器件底板焊接可靠性。
[0004]综上，一种大功率IGBT用铝
‑
金刚石封装底板制备方法亟待开发。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一IGBT用铝
‑
金刚石封装底板的制备方法，为解决大功率半导体器件提供高散热、高可靠性需求提供新的解决路径。
[0006]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种IGBT用铝
‑
金刚石封装底板制备方法，包括以下步骤，（1）单层铝
‑
金刚石薄片制备：制备铝
‑
金刚石浆料，采用刮涂工艺将浆料均匀的填充于石墨刮板槽中，热风烘干，整体置于真空炉中进行固化烧结，随炉冷却取出，完成单层金刚石颗粒的铝
‑
金刚石薄片制备；（2）多层复合烧结：取步骤（1）中单层铝
‑
金刚石薄片上下表面进行微米级镀层涂覆，将多片铝
‑
金刚石薄片上下叠合，置于加压烧结炉中进行多层复合烧结，完成底板多层焊接键合；（3）表面处理：取步骤（2）完成多层复合烧结的铝金刚石底板，进行上下表面冷喷涂铝层、表面研磨、清洗烘干备用；（4）表面镀：
对步骤（3）表面处理后铝
‑
金刚石封装底板进行表面化学镍金。
[0007]本专利技术进一步设置为：在步骤（1）中，金刚石微粉粒径为450
‑
500μm，石墨刮板槽为高纯石墨平板，槽深度为550
‑
600μm。
[0008]本专利技术进一步设置为：在步骤（1）中固化烧结温度为650
‑
750℃ 真空度≤0.01Pa，保温时间90
‑
120min ，铝
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金刚石薄片的厚度为500
‑
600μm，薄片金刚石表面积占比为60
‑
75%。
[0009]本专利技术进一步设置为：在步骤（1）中所述铝
‑
金刚石浆料按照质量百分比由75
‑
85%固体粉体与15
‑
25%有机载体组成，其中固体粉体按照质量百分比为20
‑
25%高纯铝粉、20
‑
25% 铝硅合金粉、50
‑
70%金刚石微粉。
[0010]本专利技术进一步设置为：所述有机载体包括质量百分比为5.0%硬脂酸、6.0%乙基纤维素、3.8%邻苯二甲酸二异壬酯、6.8%十二碳醇酯成膜剂、其余为松油醇。
[0011]本专利技术进一步设置为：所述高纯铝粉，铝含量≥99.9%，粒径为1
‑
10μm，铝硅合金粉为4047 铝硅合金粉，粒径为1
‑
10μm。
[0012]本专利技术进一步设置为：所述固体粉体与有机载体混合，经均质搅拌机搅拌30
‑
60min，完成铝
‑
金刚石浆料制备。
[0013]本专利技术进一步设置为：在步骤（2）中，底板总厚度为1.5
‑
8.0mm，微米级镀层厚度为1.5
‑
3.5μm，加压压力为1.0
‑
5.0 kg/mm2；烧结温度550
‑
630℃；保温时间30
‑
60min。
[0014]本专利技术进一步设置为：所述微米级镀层为Si、Cu、Ti、Ag、Ni、Sn、Zr、Zn中的一种或者多种的组合。
[0015]本专利技术进一步设置为：在步骤（3）中，铝层喷涂厚度为80
‑
120μm，表层致密度为≥98.0%，表面粗糙度Ra≤0.6。
[0016]本专利技术进一步设置为：在步骤（3）中，表面冷喷涂铝层的喷涂送粉量为12
‑
20g/min ，移动速度为15
‑
20mm/s, 载流气体为氩气，压力为2.5
‑
3.0Mpa，铝粉粒径为20
‑
35μm，铝含量≥99.9%。
[0017]本专利技术进一步设置为：在步骤（4）中，化学镍金的Ni层厚度为3
‑
9μm，Au层厚度为0.04
‑
0.10μm。
[0018]综上所述，本专利技术具有以下有益效果：通过1.单层铝
‑
金刚石薄片制备，通过控制石墨刮板槽深度550
‑
600μm，通过与金刚石粒径450
‑
500μm的匹配特性，完成单颗粒金刚石层平铺贯穿薄片层的铝
‑
金刚石薄片制备；2.多层复合烧结，将薄片叠合加压烧结，选取微米级镀层作为焊接层，实现液相扩散焊接，提高了底板致密性，避免了焊接层生成，实现低损耗的热传递，金刚石在加压条件下在薄片间，部分金刚石直接可以实现表面相互搭接，部分形成纵向错位特征的均匀分布，进一步增强热传导效率；3.采用冷喷涂铝层表面处理，精确控制表面铝层厚度80
‑
120μm，避免表面铝厚度太厚，消除在极端情况下的可靠性问题，满足IGBT半导体器件封装底板的高可靠性表面镀要求。
附图说明
[0019]图1为本专利技术制备流程示意图；图2为本专利技术实施例一的石墨平板刮板槽示意图；图3为本专利技术实施例一的单层铝
‑
金刚石薄片表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种IGBT用铝
‑
金刚石封装底板制备方法，其特征在于：包括以下步骤，（1）单层铝
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金刚石薄片制备：制备铝
‑
金刚石浆料，采用刮涂工艺将浆料均匀的填充于石墨刮板槽中，热风烘干，整体置于真空炉中进行固化烧结，随炉冷却取出，完成单层金刚石颗粒的铝
‑
金刚石薄片制备；（2）多层复合烧结：取步骤（1）中单层铝
‑
金刚石薄片上下表面进行微米级镀层涂覆，将多片铝
‑
金刚石薄片上下叠合，置于加压烧结炉中进行多层复合烧结，完成底板多层焊接键合；（3）表面处理：取步骤（2）完成多层复合烧结的铝金刚石底板，进行上下表面冷喷涂铝层、表面研磨、清洗烘干备用；（4）表面镀：对步骤（3）表面处理后铝
‑
金刚石封装底板进行表面化学镍金。2.根据权利要求1所述的一种IGBT用铝
‑
金刚石封装底板制备方法，其特征在于：在步骤（1）中金刚石微粉粒径为450
‑
500μm，石墨刮板槽为高纯石墨平板，槽深度为550
‑
600μm。3.根据权利要求1或2所述的一种IGBT用铝
‑
金刚石封装底板制备方法，其特征在于：在步骤（1）中固化烧结温度为650
‑
750℃ 真空度≤0.01Pa，保温时间90
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120min ，铝
‑
金刚石薄片的厚度为500
‑
600μm，薄片金刚石表面积占比为60
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75%。4.根据权利要求1或2所述的一种IGBT用铝
‑
金刚石封装底板制备方法，其特征在于：在步骤（1）中所述铝
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金刚石浆料按照质量百分比由75
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85%固体粉体与15
‑
25%有机载体组成，其中固体粉体按照质量百分比为20
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25%高纯铝粉、20
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25% 铝硅合金粉、50
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70%金刚石微粉。5.根据权利要求4所述的一种IGBT用铝
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金刚石封装底板制备方法，其特征在于：所述有机载体包括质量百分比为5.0%硬脂酸、6.0%乙基...

【专利技术属性】
技术研发人员：蹇满，欧阳鹏，高远，王斌，刘井坤，
申请(专利权)人：江苏富乐华功率半导体研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：